WO2012069217A1 - Suspension enthaltend phasenwechselmaterial und graphitpartikel und behältnis mit suspension - Google Patents

Suspension enthaltend phasenwechselmaterial und graphitpartikel und behältnis mit suspension Download PDF

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suspension
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particles
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Siegfried Rauch
Werner Guckert
Christian Kipfelsberger
Robert Michels
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a suspension of phase change material and graphite particles and a container containing a suspension of phase change material and graphite particles.
  • phase change materials Due to their phase transformation, phase change materials (PCMs) can store heat energy in the form of latent heat, but because of their low thermal conductivity, loading and unloading of heat accumulators with PCM is very slow the thermal conductivity carbon, in particular expanded graphite.
  • EP 1 598 406 describes a composite material in which an intensive mixture of graphite flakes and PCM is achieved, in particular by means of extruder and kneader.
  • a suspension according to the invention contains phase change material (hereinafter also called PCM for short) and graphite particles, the graphite particles containing expanded graphite and / or natural graphite, wherein essentially no PCM is present within the expanded graphite and substantially no PCM is present within the natural graphite.
  • PCM phase change material
  • the graphite particles may be either expanded graphite or natural graphite or a mixture of both. In the context of the invention, however, essentially no PCM is present in both types of graphite, regardless of their proportion.
  • a separation can be done mechanically, for example by simply pouring it off or pouring it through a sieve, whereby the PCM flows off and leaves the expanded graphite and / or natural graphite at most with a certain surface wetting.
  • PCM forms an intimate bond with graphite, for example a composite material, since the PCM is present inside the particles. Due in part to capillary and surface forces, this PCM can not be removed from the graphite at all or at great expense.
  • the PCM is present at most in a region near the surface in expanded graphite and / or natural graphite. This surface area near the surface is at most a quarter of the diameter, in particular at most a quarter of the radius.
  • the substantially missing presence of the PCM according to the invention can also be defined by the fact that PCM is at most 30% by volume, in particular at most 15% by volume, in the porosity of the graphite particles.
  • the term "suspension" emphasizes the lack of penetration of the PCM into the respective graphite, in the case of a suspension there is a boundary between the liquid (here the PCM) and the graphite particles.
  • the expanded graphite of the graphite particles contains graphite expandate and / or powder obtained by comminuting compressed graphite expandate, granules or chopped wood, chips, strips or the like.
  • expanded graphite thus advantageously represents a generic term for all types of at least partially expanded graphite which either can not be treated at all or can be treated in various ways, the preparation and properties of which are known to the person skilled in the art and are therefore not explained in detail here
  • the production of graphite expandate is known, for example, from US 3 404 061.
  • Graphite expandate is in the form of worm or accordion-shaped aggregates.
  • Compacted graphite expandate can advantageously be present as graphite foil, which in turn can be comminuted as explained above.
  • these types of expanded graphite may also be combined together such that chopped shreds obtained by crushing expanded graphite expandate, for example, are present side by side in the PCM.
  • a lack of PCM in the expanded graphite is caused by the expanded graphite of the graphite particles having a mean pore size and a pore size distribution formed such that the PCM does not substantially penetrate the expanded graphite and / or the natural graphite at normal pressure ,
  • An average pore size and a pore size distribution which ensure that no infiltration of the PCM into the graphite particles, can be set relatively easily via the production process of the graphite particles.
  • Known parameters such as calendering parameters in the production of graphite foil as a possible expanded graphite, can be easily adjusted conventionally, so that by means of such parameters, the penetration behavior of PCM can be selectively changed in the expanded graphite.
  • mean pore size and pore size distribution can be adjust so that depending on the PCM penetration into the expanded graphite is optimized. Since different phase change materials differ with regard to melting point, viscosity, surface tension, wetting behavior and other properties essential for penetration into expanded graphite, the average pore size and pore size distribution are to be set specifically with respect to this variant of the invention.
  • the graphite particles are mixed with the PCM without generating pressure, such as occurs by intensive use of mixing tools or by negative pressure.
  • the PCM in the liquid state penetrates into the expanded graphite and / or natural graphite according to the invention, in particular with a specifically set pore size distribution, essentially not.
  • the non-pressurized mixing is advantageously carried out by placing the graphite particles as a loose bed in a container and filling the container with the PCM. Since this requires no special technical precautions, a suspension according to the invention can be easily produced on site, for example on a construction site.
  • the bulk density of the expanded graphite (without PCM) in the case of graphite expandate is between 0.002 and 0.015 g / cm 3 , in the case of chaff, chips, granules, between 0.01 g / cm 3 and 2.0 g / cm 3 , in the case of powder or regrind between 0, 10 g / cm 3 and 1, 0 g / cm 3 .
  • This bulk density range has proved to be particularly advantageous for producing a suspension according to the invention.
  • Expanded graphite in these bulk densities is particularly easy to mix with PCM without PCM penetrating the expanded graphite.
  • Such fins can advantageously contribute to transporting heat and / or cold into and out of the suspension.
  • the graphite particles of the suspension itself already contribute to a good thermal conduction, but a fin, which is a one-piece heat conductor that does not consist of a plurality of individual graphite particles that need to transfer via points of contact heat / cold, suitable, heat and / or cold to transport directly into the interior of the suspension.
  • the at least one fin comprises compressed expanded graphite.
  • such fins have a particularly good thermal conductivity, on the other hand their anisotropy is particularly high, because when compressing expanded graphite, graphite particles are aligned in the plane direction, which greatly increases the thermal conductivity in the plane direction.
  • Thermally conductive fins with graphite allow the suspension of the invention to work particularly well, because heat and / or cold is so particularly effective in the suspension and led out of it.
  • Fins with graphite preferably have a thermal conductivity of more than 25 W / mK, in particular of more than 50 W / mK, very particularly more than 100 W / mK.
  • the at least one fin contains graphite foil, in particular it is constructed from graphite foil.
  • Graphite foil has a particularly good thermal conductivity and is also mechanically quite stable and thus easy to handle, and further commercially available.
  • metal fines can also be used. Because of their high conductivity and low density, aluminum or an Al alloy may be used as the metal, but it is also particularly suitable if the thickness of the fins is correspondingly small Other metals conceivable, such as copper or a Cu alloy, such as brass. Copper can have a thermal conductivity of over 250 W / mK, in particular over 350 W / mK.
  • metal fins made of steel with a thermal conductivity of up to 60 W / mK or of stainless steel, which are particularly resistant chemically, or of noble metals whose thermal conductivity can be up to more than 450 W / mK, in particular up to 600 W / mK, are also conceivable ,
  • a plurality of fins is advantageously connected to one another, in particular by being stuck together, and forms a 2- and / or 3-dimensional structure.
  • interconnected fins stabilize each other mechanically. Since, in particular, graphite foil can be machined easily, for example, by cutting, in particular joining by nesting is a preferred variant. The nesting is accomplished, for example, with fins having correspondingly provided recesses, such as slots, wherein the recesses of two fins are inserted into each other. This allows a fixation of two fins to each other. By repeating this process, even more complex structures, such as lattice-like structures, can be produced from a plurality of fins.
  • the at least one fin is fixed in position by the suspension.
  • the viscosity of the suspension is set such that the fin (s), which advantageously have a low density and a large surface area, are fixed without this having to be done by conventional means.
  • no mechanical aids such as clamps, screws or the like are necessary.
  • the fins can be placed in the suspension without any attachment and remain in an original position within the suspension even over several years.
  • Graphite foil is particularly well fixed by the suspension in its position with a low density at the corresponding large surface of the fins.
  • the at least one fin can be fixed horizontally, vertically, or at any angle by the suspension in its position.
  • a plurality of fins may form a so-called random position, that is, the fins may be randomly disposed within the suspension. This can contribute to a very uniform, homogeneous heat conduction over the entirety of the suspension.
  • the graphite particles are preferably distributed uniformly throughout the suspension, which leads to a homogeneous heat conduction of the suspension.
  • the invention also includes that the lower portion of the suspension is somewhat depleted of graphite particles relative to the remainder of the suspension.
  • the overall thermal conductivity of the lower region is at most 50%, in particular at most 30% less than the total thermal conductivity of the suspension in the remaining region of the suspension, in particular of this essentially does not differ.
  • the lower area means the area of the suspension which, with respect to a container in which the suspension is located, faces a bottom of the container.
  • the lower region is the region which transfers heat and / or cold to the ground. If, as in the prior art, the lower region is free of particles of high thermal conductivity, the lower region acts as an insulator, which thermally isolates the remaining region of the suspension from the bottom of the container.
  • the preferred embodiment of the suspension according to the invention solves this problem.
  • the hardly or hardly lowered thermal conductivity of the lower region can advantageously be achieved by the graphite in the PCM not floating in the interaction of the density of the PCM and the proportions of graphite and PCM.
  • such floating takes place in suspensions of PCM and expanded graphite, because expanded graphite has a low density.
  • salt hydrate as PCM there is a risk of floating of expanded graphite.
  • the proportion of PCM in the suspension is so low that a cloud of expanded graphite, which would tend to float in a larger amount of PCM, directly over a bottom of a container is located.
  • the suspension according to the invention can be applied in a container to objects to be cooled or heated from above. Since no insulating PCM layer forms in the lower region of the suspension, the corresponding article can be cooled or heated particularly well.
  • the container can be placed on a heating medium-carrying tubes.
  • the suspension may contain an additional graphite in addition to the particles of expanded graphite and / or natural graphite, the additional graphite containing synthetic graphite and / or additional natural graphite and / or carbon black and / or carbon fibers or a mixture with at least one of these components.
  • synthetic graphite and additional natural graphite can help prevent floating of graphite particles containing expanded graphite. This can be explained by the fact that the graphite particles containing expanded graphite are weighted down by the additional graphite and pushed down so that they remain suspended instead of ascending.
  • particles of expanded graphite and / or natural graphite are not so much mechanically worked, e.g. by grinding, that they have a more spherical shape. In such a case, training a card house-like structure would not be possible.
  • horizontally present in the suspension fins can reinforce the effect described that additional graphite does not sink through graphite particles with expanded graphite and / or natural graphite.
  • the fins in addition to the self-blocking effect, inhibit particles from sinking, presumably in particular by preventing vertical flows.
  • a corresponding amount of synthetic and / or additional natural graphite can advantageously be used.
  • a proportion of more than 90% by weight of the graphite grains may be less than 0.4 mm. But it can also be a proportion of 65 wt .-% between 0.8 and 1, 25 mm.
  • the quantity and the particle size distribution can be optimized by the person skilled in the art depending on the PCM density, the density of the expanded graphite and the grain size of the expanded graphite without having to be inventive.
  • expanded graphite has a strong buoyancy, which would result in a floating of the graphite particles. It should be emphasized once again that the suspension can have natural graphite as well as graphite particles, thus also as additional graphite.
  • the additional graphite has to fulfill different properties in terms of particle size and possibly particle shape and density for this task:
  • the natural graphite of the graphite particles of the suspension as well as the additional natural graphite can be obtained from different deposits, processed differently and thus, as explained above It is also possible to use different particle shapes, such as needles or flat particles, to achieve the described effects.
  • the suspension may contain, in addition to the graphite particles, metal particles, such as aluminum particles, but also copper, brass and / or steel particles.
  • metal particles such as aluminum particles, but also copper, brass and / or steel particles.
  • the type of metal particles will be selected accordingly. For example, it is advisable to use steel particles instead of aluminum particles in the case of highly corrosive PCM.
  • metal waste can advantageously be recycled, on the other hand it can also prevent floating of graphite particles, as already described above for additional graphite.
  • the particle size of the metal particles Due to the higher density of metal particles than of graphite particles, the particle size of the metal particles is deliberately set so small that the self-blocking structure still bears their weight to the extent that the graphite particles are pressed down without the metal particles sink past the graphite particles down.
  • the metal particles sink downwards and come to rest in the lower region, for example due to a specifically set larger particle size, this can also be advantageous, because a possibly present lower thermal conductivity of the suspension in this region is due to floating of the expanded graphite in the PCM balanced by the metal particles.
  • Floating can also advantageously be prevented by using non-metallic particles in addition to or instead of metallic particles.
  • non-metallic particles may advantageously be mineral particles, such as calcium carbonate, kaolin or chalk, glass powder, plastic powder and similar particles. The density of the particles to the density of the PCM and the graphite particles to pay attention, so that the floating can be prevented.
  • An advantageous PCM can be at least one PCM from the group comprising paraffins, sugar alcohols, gas hydrates, water, aqueous salt solutions, salt water eutectics, salt hydrates, mixtures of salt hydrates, salts and eutectic mixtures of salts, alkali metal hydroxides and mixtures of salts and alkali metal Hydroxides or a mixture of at least one PCM from this group.
  • the ratio of additional graphite and expanded graphite or natural graphite may be set such that the expanded graphite and / or natural graphite is prevented from floating up the PCM by the additional graphite such that the total thermal conductivity of the lower region is at most 50%, in particular at most 30% less than the total thermal conductivity of the suspension in the remaining region of the suspension, in particular of this substantially does not deviate.
  • Advantageously used metal particles can also sink into the lower region of the PCM so that a possibly present lower thermal conductivity of the suspension in this region is compensated by the floating up of the expanded graphite in the PCM by the metal particles.
  • a container is filled with a suspension according to the invention.
  • a container can be handled well and used for example for air conditioning, such as buildings.
  • the container has a thermally good conductive outer wall, for example, a Me- tallfolie, which may be mechanically reinforced with a plastic film.
  • the container has a flexible, adaptable outer shell.
  • Such a container is particularly good for hanging up on irregularly shaped, to be cooled objects, such as a heating or cooling pipe hang a climate ceiling.
  • the use of PCM-filled containers with a flexible, adaptable outer shell is described in detail in EP 1 371 915 B1 and all features which relate to this container with PCM are hereby incorporated by reference to EP 1 371 915 B1.
  • fins containing compressed expanded graphite In such containers with a flexible outer shell comes another advantage of fins containing compressed expanded graphite, to advantage. In contrast to metal fins, there is no risk of graphite fines damaging the outer shell due to sharp edges.
  • the fins may even partially cling to them in mechanical contact with the outer shell, so that a particularly good heat coupling of fins in the outer shell and thus in an object to be tempered is possible.
  • the outer shell is rigid.
  • a rigid container is advantageous. It may be formed, for example, as a flat container.
  • the graphite particles are uniformly distributed throughout the suspension, resulting in a homogeneous heat conduction of the suspension and thus also to a good transfer of heat and / or cold to the bottom of the container.
  • the invention also includes that the lower portion of the suspension is somewhat depleted of graphite particles relative to the remainder of the suspension.
  • the total thermal conductivity of the region facing the underside of the container is at most 50% less than the total thermal conductivity of the suspension in the remaining region of the suspension, in particular not more than 30% lower, In particular, it does not essentially reject the overall thermal conductivity in the remaining area.
  • a climate device may preferably contain a suspension according to the invention, in particular with a container according to the invention.
  • Such an air conditioning device can be used as an element of an air conditioner that stores and releases heat and / or cold.
  • the container may be in contact with at least one thermally conductive sheet.
  • sheet metal is used here for each sheet-like heat-conducting element, that is, it can also consist of or contain graphite.
  • the at least one metal sheet can be formed from a closed-surface metal sheet, a perforated metal sheet, a grid, a net or from fixing rods.
  • the container is held between two sheets, which are arranged, for example, parallel to each other or v-shaped to each other.
  • a container with a flexible outer shell is advantageous in this case, because such a bag-like container nestles very well on the sheets, so that a heat transfer from the suspension can be done directly on the sheet without disturbing air cushion.
  • the object is further achieved by a method according to claim 25.
  • it is provided to produce a suspension of PCM and graphite particles in that the graphite particles containing expanded graphite and / or natural graphite are mixed with the PCM in liquid form, without PCM penetrates the expanded graphite and natural graphite.
  • the suspension of the invention can be solidified by lowering the temperature below the melting point of the PCM. In this state, it can be crushed and transported the resulting grains and poured for the particular purpose, for example, in a container.
  • 1 a shows a plan view of a measurement setup for determining the heat storage and heat conduction properties of suspensions
  • FIG. 1 b is a sectional side view of the measurement setup of Fig. 2a
  • Fig. 3 Temperature curves of suspensions according to the invention in a
  • FIG. 4a shows a fin for introduction into the suspension according to the invention
  • FIG. 4b shows a structure of nested Finns
  • FIG. 5a shows a perspective view of a container according to the invention with partially cut major surface
  • Fig. 5b The container of Fig. 5a in a longitudinal section
  • FIG. 6 is a perspective view of an air conditioning apparatus with a
  • the resulting suspension 1 in flat bag 2 as containers 2 with a flexible, conformable outer shell 3 filled, which have dimensions of 2.5 cm in thickness, 30 cm in width, 30 cm in length in this example .
  • the bag 2 has as outer shell 3, a metal-coated plastic film or a plastic-coated metal foil.
  • the bag 2 is filled lying on one of its two main surfaces 4, 5, it is possible to use some of the graphite foil fins 6 from above.
  • the second main surface 5 of the bag 2 can then be connected from above, for example, by conventional film welding with the remaining bag 2 and the bag 2 are thus closed.
  • the bag 2 is transportable with the PCM in the liquid state, but can also be cooled to temperatures below the melting point of paraffin, to enable the suspension 1 in the solid state.
  • the bag 2 is inserted into a measuring apparatus 7, as can be seen in Fig. 1 a and 1 b.
  • a first wall 8 of high thermal conductivity and a second wall 9 of low thermal conductivity (here plexiglass) together with lateral elements 9a of low thermal conductivity (here Plexiglas) define a measuring space 10 into which the bag 2 can be introduced.
  • a heat source 1 which could also be referred to as a source of cold, is thermally connected to the first wall 8.
  • a heat / cold source here is a conventional thermostat 1 1 is used, which is connected via hoses 12, 13 to the first wall 8.
  • first temperature sensors 14 are arranged, which measure the temperature of the bag 2 on its side facing the first wall 8, and second temperature sensors 15, which measure the temperature of the bag 2 on its side facing the second wall 9.
  • the two walls 8, 9 with the measuring chamber 10 are placed in an insulating container 17 with thermally highly insulating walls, as they are commonly used for example in insulation technology.
  • the bag 2 filled with the suspension 1 according to the invention is heated from 10 ° C. to 40 ° C. and the evolution of the temperature over time is measured.
  • Measurement curve A in FIG. 2 shows the course of the temperature of the thermostat itself.
  • Measurement curve B shows the course of the temperature at the measuring sensors 14 between the first wall 8 and the bag 2
  • measurement curve C the course of the temperature at the measuring sensors 15 between the second wall 9 and the bag 2, wherein the bag 2 is first filled for comparison purposes with pure paraffin as PCM without graphite particles.
  • both curves B, C lag far behind the thermostat curve A in time.
  • the temperature range falls between 20 and 35 ° C, in which is stored by the phase transformation during melting latent heat in the PCM, the so-called latent phase. Due to the poor thermal conductivity of pure PCM, this storage takes almost two hours. It is noticeable that curve C lags behind curve B even more. This shows even more the low thermal conductivity of the pure PCM.
  • Measurement curve D shows the course of the temperature at the measuring sensors 14 between the first wall 8 and the bag 2, measuring curve E the course of the temperature the sensors 15 between the second wall 9 and the bag 2, wherein the bag 2 is now filled with the suspension 1 according to the invention, whose preparation is described above.
  • Both curves have a much shorter time interval from the thermostat curve A.
  • the phase of storage of latent heat is much shorter. Due to the very good thermal conductivity of the suspension 1 heat is very quickly distributed over the entire PCM of the bag 2 and stored therein in the form of latent heat.
  • the small time interval between curve D and E also shows this.
  • the temperature of the suspension then further increases according to the temperature set by the thermostat.
  • Fig. 3 shows a cooling process of the same two bags 2 as for the heating, which is shown in Fig. 2.
  • the curves are marked accordingly with A to E.
  • the very low inertia of the suspension 1 according to the invention can be seen in comparison to pure PCM.
  • the solidification of the pure PCM takes much longer than with the suspension.
  • FIGS. 2 and 3 make clear how fast a bag 2 according to the invention can be thermally charged and discharged.
  • the bag 2 was cut open and, at temperatures above the melting point, the suspension was poured into a sieve of mesh size 0.1 mm.
  • the bag 2 is used in air conditioners.
  • an air conditioning apparatus shown schematically in FIG. 6 there are walls 19, which correspond to the first and second walls 8, 9 of the test set-up 7, but both of which consist of highly thermally conductive materials, in this case perforated sheets of conventional steel.
  • the heat or cold stored by the suspension 1 becomes passed to the perforated plates 19 and discharged from there by means of fans (not shown) to a room air to be conditioned.
  • salt hydrate is used as the PCM instead of paraffin, with the major component of the salt hydrate being calcium chloride hexahydrate.
  • the synthetic graphite has the following specification: bulk density 1, 67-1, 91 g / cm 3 , bulk density according to DIN 51705: ⁇ 1 g / cm 3 , particle size distribution in% according to DIN 51938: 5% 4 rj - 0.4 mm; 90% 4 0.4 - 0.8mm; 5% 4> 0.8mm.
  • the resulting suspension 1 is filled into flat bags 2 as described above in the first embodiment.
  • a bag 2 is filled and welded. It is placed horizontally on leads in a climatic ceiling through which a heat medium is conducted.
  • the suspension 1 according to the invention can advantageously be used wherever heat and / or cold should be stored and released again.
  • a container such as a tank, for storing heat generated in a power plant, such as solar heat, domestic hot water, process heat, heat from combined heat and power plants, night refrigeration, ice storage, food, such as Cooling and / or warming food, as well as in the storage and transport of food, such as in warehouses or refrigerated counters or in the installation of refrigerated trucks or refrigerated containers.
  • the suspension can be used for lost-wax core processes in mold making.
  • the wax can be melted faster with the graphite particles and poured into the mold. After forming and curing the component around the wax core, the core can be melted out of the component more quickly.
  • suspension according to the invention in particular in a bag according to the invention with a flexible outer shell, in the medical field, such as a cooling bag for the treatment of wounds or for cooling of grafts applicable.
  • suspension according to the invention is in the vehicle air conditioning, in particular the air conditioning of electrically powered vehicles, the cooling of electrochemical storage systems, such as stationary batteries and batteries, such as in electric vehicles.
  • the suspension is used advantageously, but also in case of damage of a battery (for example, in case of damage by penetration of metal parts or deformation by accident). Then the suspension according to the invention can absorb the released thermal energy and prevent a chain reaction of the battery or at least slow it down.
  • suspension according to the invention can be used, for example, as a heat accumulator for engine preheating in vehicle technology in order to reduce pollutant emissions during a cold start.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Suspension (1), die ein Phasenwechselmaterial (PCM) und Graphitpartikel enthält. Erfindungsgemäße enthalten die Graphitpartikel expandierten Graphit und/oder Naturgraphit, wobei innerhalb des expandierten Graphits und innerhalb des Naturgraphits im Wesentlichen kein PCM vorliegt.

Description

Suspension enthaltend Phasenwechselmaterial und Graphitpartikel
und Behältnis mit Suspension
Die Erfindung betrifft eine Suspension aus Phasenwechselmaterial und Graphitpartikeln und ein Behältnis enthaltend eine Suspension aus Phasenwechselmaterial und Graphitpartikeln.
Phasenwechselmaterialien (PCM aus dem Englischen„phase change materials") können aufgrund ihrer Phasenumwandlung Wärmeenergie in Form von latenter Wärme speichern. Wegen ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit sind Be- und Entladung von Wärmespeichern mit PCM jedoch sehr langsam. Daher hat es sich bewährt, PCM zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit Kohlenstoff zuzugeben, insbesondere expandierten Graphit.
In der DE 102 50 249 A1 werden Mischungen mit Phasenwechselmaterial und partikelförmigem expandiertem Graphit beschrieben, wobei PCM im festen Zustand und Graphit vermischt werden und zu Formkörpern verpresst werden.
Die EP 1 598 406 beschreibt einen Verbundwerkstoff, bei dem insbesondere mittels Extruder und Kneter eine intensive Mischung aus Graphitflocken und PCM erzielt wird.
Alle Materialien haben sich bei ihrem Einsatz für Wärmespeicher bewährt. Nachteilig ist jedoch die schlechte Wiedergewinnbarkeit der einzelnen Komponenten der Verbundwerkstoffe, da sich Graphit und PCM schlecht voneinander trennen lassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, insbesondere eine gut rezyklierbare Mischung anzugeben, die flexibel einsetzbar ist, leicht herzustellen ist und eine gute thermische Leitfähigkeit und thermische Speicherfähigkeit aufweist. Die Aufgabe wird mit einer Suspension nach Anspruch 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Suspension enthält Phasenwechselmaterial (im Folgenden auch kurz PCM genannt) und Graphitpartikel, wobei die Graphitpartikel expandierten Graphit und/oder Naturgraphit enthalten, wobei innerhalb des expandierten Graphits im Wesentlich kein PCM vorliegt und innerhalb des Naturgraphits im Wesentlichen kein PCM vorliegt. Anders ausgedrückt können als Graphitpartikel entweder expandierter Graphit oder Naturgraphit oder eine Mischung aus beiden vorliegen. Im Rahmen der Erfindung liegt aber in beiden Arten von Graphit unabhängig von deren Anteil im Wesentlichen kein PCM vor.
Überraschenderweise ist bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Suspension im Gegensatz zu herkömmlichen Mischungen ein problemloses Trennen der beiden Komponenten Graphitpartikel und PCM möglich. Bisher war nicht bekannt, dass ein fehlendes Eindringen von PCM in Graphit eine Trennung der Komponenten begünstigt.
Ein Trennen kann mechanisch, beispielsweise durch einfaches Abgießen oder Schütten durch ein Sieb, geschehen, wobei das PCM abfließt und den expandierten Graphit und/oder Naturgraphit höchstens mit einer gewissen Oberflächenbenetzung zurücklässt.
Bei herkömmlichen Mischungen aus PCM und Graphitpartikeln bildet PCM mit Graphit hingegen einen innigen Verbund, beispielsweise einen Verbundwerkstoff, da das PCM im Inneren der Partikel vorliegt. Unter anderem wegen Kapillar- und Oberflächenkräften lässt sich dieses PCM nicht mehr oder nur unter enormem Aufwand aus dem Graphit entfernen.
Unter dem Merkmal, dass innerhalb des expandierten Graphits und/oder Naturgraphits der Graphitpartikel kein PCM vorliegt, wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass das PCM höchstens in einem oberflächennahen Bereich im expandierten Graphit und/oder Naturgraphit vorliegt. Dieser oberflächennahe Bereich beträgt von der Oberfläche her höchstens ein Viertel des Durchmessers, insbesondere höchstens ein Viertel des Radius. Das im Wesentlichen fehlende Vorliegen des PCM gemäß der Erfindung kann auch dadurch definiert werden, dass PCM höchstens zu 30 Vol.-%, insbesondere höchstens zu 15 Vol.-% in der Porosität der Graphitpartikel vorliegt. Der Begriff der„Suspension" unterstreicht im Rahmen der Erfindung das fehlende Eindringen des PCM in das jeweilige Graphit. Bei einer Suspension liegt eine Grenze zwischen der Flüssigkeit (hier dem PCM) und den Graphitpartikeln vor.
Vorteilhaft enthält der expandierte Graphit der Graphitpartikel Graphitexpandat und/oder durch Zerkleinern von verdichtetem Graphitexpandat erhaltene Pulver, Granulat bzw. Häcksel, Schnitzel, Streifen oder ähnliches. Der Begriff„expandierter Graphit" stellt somit vorteilhaft einen Oberbegriff von allen Arten von zumindest teilweise expandiertem Graphit dar, die entweder gar nicht oder auf verschiedene Weisen weiterbehandelt sein können. Deren Herstellung und Eigenschaften sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Die Herstellung von Graphitexpandat ist beispielsweise aus der US 3 404 061 bekannt.
Graphitexpandat liegt in Form von wurm- oder ziehharmonikaförmigen Aggregaten vor. Verdichtetes Graphitexpandat kann vorteilhaft als Graphitfolie vorliegen, die wiederum wie oben erläutert zerkleinert werden kann.
Diese Arten von expandiertem Graphit können beispielsweise auch miteinander kombiniert sein, so dass etwa Graphitexpandat und durch Zerkleinern von verdichtetem Graphitexpandat erhaltene Häcksel nebeneinander im PCM vorliegen.
Vorzugsweise ist ein fehlendes Vorliegen des PCM im expandierten Graphit dadurch bewirkt, dass das expandierte Graphit der Graphitpartikel eine mittlere Porengröße und eine Porengrößenverteilung besitzt, die derart ausgebildet sind, dass das PCM bei Normaldruck im Wesentlichen nicht in den expandierten Graphit und/oder den Naturgraphit eindringt.
Eine mittlere Porengröße und eine Porengrößenverteilung, die bewirken, dass keine Infiltrierbarkeit des PCM in die Graphitpartikel gegeben ist, lassen sich über den Her- stellungsprozess der Graphitpartikel relativ leicht einstellen. Bekannte Parameter, wie Kalandrierparameter bei der Herstellung von Graphitfolie als einem möglichen expandierten Graphit, lassen sich herkömmlich leicht einstellen, so dass sich mittels derartiger Parameter das Eindringverhalten von PCM in den expandierten Graphit gezielt ändern lässt. Dabei lassen sich mittlere Porengröße und Porengrößenverteilung so einstellen, dass in Abhängigkeit des PCM ein Eindringen in den expandierten Graphit optimiert wird. Da verschiedene Phasenwechselmaterialien sich hinsichtlich Schmelzpunkt, Viskosität, Oberflächenspannung, Benetzungsverhalten und weiteren für ein Eindringen in expandierten Graphit wesentlichen Eigenschaften unterscheiden, sind bezüglich dieser Variante der Erfindung die mittlere Porengröße und Po- rengrößenverteilung in Abhängigkeit des zu verwendenden PCMs gezielt einzustellen.
Je nach Lagerstätte und gewählter Aufbereitungsstufe des zur Gewinnung von Naturgraphit abgebauten Graphiterzes lässt sich ein Naturgraphit mit gezielten Porositäten und/oder Dichten erhalten.
Vorteilhaft werden die Graphitpartikel ohne Erzeugen von Druck, wie er etwa durch intensive Verwendung von Mischwerkzeugen auftritt oder durch Unterdruck, mit dem PCM vermischt. Bei Normaldruck dringt das PCM im flüssigen Zustand in den expandierten Graphit und/oder Naturgraphit erfindungsgemäß, insbesondere mit einer gezielt eingestellten Porengrößenverteilung, im Wesentlichen nicht ein.
Vorteilhaft wird die drucklose Vermischung dadurch durchgeführt, dass die Graphitpartikel als lose Schüttung in ein Behältnis gegeben werden und das Behältnis mit dem PCM aufgefüllt wird. Da dies keine besonderen technischen Vorkehrungen erfordert, lässt sich eine erfindungsgemäße Suspension leicht vor Ort, beispielsweise auf einer Baustelle, herstellen.
Vorzugsweise liegt die Schüttdichte des expandierten Graphits (ohne PCM) im Fall von Graphitexpandat zwischen 0,002 und 0,015 g/cm3, im Fall von Häcksel, Schnitzel, Streifen bzw. Granulat zwischen 0,01 g/cm3 und 2,0 g/cm3, im Fall von Pulver bzw. Mahlgut zwischen 0, 10 g/cm3 und 1 ,0 g/cm3.
Dieser Schüttdichtenbereich hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um eine erfindungsgemäße Suspension herzustellen. Expandierter Graphit in diesen Schüttdichtebereichen lässt besonders gut mit PCM vermischen, ohne dass PCM in den expandierten Graphit eindringt. Vorteilhaft sind in die Suspension Finnen, d.h. zumindest eine Finne eingebracht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene aufweist, insbesondere von mehr als 5 W/mK, insbesondere von mehr als 25 W/mK, ganz insbesondere von mehr als 50 W/mK, höchst insbesondere von mehr als 100 W/mK.
Derartige Finnen können vorteilhaft dazu beitragen, Wärme und/oder Kälte in die Suspension und aus ihr heraus zu transportieren. Die Graphitpartikel der Suspension selbst tragen bereits zu einer guten thermischen Leitung bei, jedoch ist eine Finne, die einen einstückigen Wärmeleiter darstellt, der nicht aus einer Vielzahl einzelner Graphitpartikel besteht, die über Berührungspunkte Wärme/Kälte übertragen müssen, geeignet, Wärme und/oder Kälte direkt in das Innere der Suspension zu transportieren.
Vorteilhaft umfasst die zumindest eine Finne komprimierten expandierten Graphit. Derartige Finnen besitzen zum einen eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit, zum anderen ist ihre Anisotropie besonders hoch, denn beim Komprimieren von expandiertem Graphit werden Graphitpartikel in Ebenenrichtung ausgerichtet, was die thermische Leitfähigkeit in Ebenenrichtung stark erhöht. Thermisch leitfähige Finnen mit Graphit lassen die erfindungsgemäße Suspension besonders gut wirken, denn Wärme und/oder Kälte wird so besonders effektiv in die Suspension und aus ihr herausgeführt. Finnen mit Graphit besitzen vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von über 25 W/mK, insbesondere von über 50 W/mK, ganz insbesondere von über 100 W/mK.
Vorteilhaft enthält die zumindest eine Finne Graphitfolie, insbesondere ist sie aus Graphitfolie aufgebaut. Graphitfolie besitzt eine besonders gute thermische Leitfähigkeit und ist darüber hinaus mechanisch recht stabil und somit gut handhabbar, und des Weiteren kommerziell verfügbar.
Alternativ oder in Kombination mit den genannten graphithaltigen Finnen können jedoch auch Metallfinnen eingesetzt werden. Wegen ihrer hohen Leitfähigkeit und geringen Dichte bietet sich hier vor allem Aluminium oder eine AI-Legierung als Metall an, es sind jedoch auch insbesondere bei entsprechend geringer Dicke der Finnen andere Metalle denkbar, wie etwa Kupfer oder einer Cu-Legierung, wie Messing. Kupfer kann eine Wärmeleitfähigkeit von über 250 W/mK besitzen, insbesondere über 350 W/mK. Es sind jedoch auch Metallfinnen aus Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 60 W/mK oder aus Edelstahl denkbar, die chemisch besonders resistent sind, oder aus Edelmetallen, deren Wärmeleitfähigkeit bis über 450 W/mK liegen kann, insbesondere bis zu 600 W/mK.
Vorteilhaft ist eine Mehrzahl von Finnen miteinander, insbesondere durch Ineinander- stecken, verbunden und bildet eine 2- und/oder 3-dimensionale Struktur.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass sich Wärme und/oder Kälte großflächig in die Suspension einbringen und über die Suspension verteilen lassen. Desweiteren stabilisieren sich miteinander verbundene Finnen gegenseitig mechanisch. Da sich insbesondere Graphitfolie beispielsweise durch Zuschneiden mechanisch leicht bearbeiten lässt, ist insbesondere ein Verbinden durch Ineinanderstecken eine bevorzugte Variante. Das Ineinanderstecken wird beispielsweise mit Finnen bewerkstelligt, die entsprechend vorgesehene Ausnehmungen, wie etwa Schlitze, aufweisen, wobei die Ausnehmungen jeweils zweier Finnen ineinander gesteckt werden. Dies ermöglicht eine Fixierung zweier Finnen zueinander. Durch Wiederholung dieses Vorgangs lassen sich auch komplexere Strukturen, wie etwa gitterartige Strukturen, aus einer Mehrzahl von Finnen erzeugen.
Vorteilhaft ist die zumindest eine Finne durch die Suspension in ihrer Lage fixiert.
Dies ist vorteilhaft dadurch möglich, dass die Viskosität der Suspension derart eingestellt ist, dass die Finne(n), die vorteilhaft eine geringen Dichte und großen Oberfläche besitzen, fixiert werden, ohne dass dies durch übliche Hilfsmittel geschehen müsste. Insbesondere sind keine mechanischen Hilfsmittel, wie etwa Klemmen, Schrauben oder ähnliches nötig. Die Finnen können ohne jede Befestigung in der Suspension angeordnet werden und bleiben in einer ursprünglichen Position innerhalb der Suspension auch über mehrere Jahre. Graphitfolie ist mit einer geringen Dichte bei der entsprechenden großen Oberfläche der Finnen besonders gut durch die Suspension in ihrer Lage fixiert. Die zumindest eine Finne kann waagrecht, senkrecht, oder in einem beliebigen Winkel durch die Suspension in ihrer Lage fixiert sein. Auch kann eine Mehrzahl von Finnen eine sogenannte Wirrlage bilden, das heißt die Finnen können ungeordnet bzw. zufällig innerhalb der Suspension vorliegen. Dies kann zu einer über die Gesamtheit der Suspension gesehen sehr gleichmäßigen, homogenen Wärmeleitung beitragen.
Bevorzugt sind die Graphitpartikel in der gesamten Suspension gleichmäßig verteilt, was zu einer homogenen Wärmeleitung der Suspension führt. Die Erfindung schließt jedoch auch ein, dass der untere Bereich der Suspension gegenüber dem restlichen Bereich der Suspension etwas an Graphitpartikeln verarmt ist. Bevorzugt befindet sich in einem unteren Bereich der Suspension so viele Graphitpartikel und/oder zusätzlicher Graphit, dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des unteren Bereichs höchstens um 50 %, insbesondere höchstens um 30 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension im restlichen Bereich der Suspension, insbesondere von dieser im Wesentlichen nicht abweicht.
Mit dem unteren Bereich ist der Bereich der Suspension gemeint, der bezogen auf ein Behältnis, in dem sich die Suspension befindet, einem Boden des Behältnisses zugewandt ist. Dabei ist der untere Bereich derjenige Bereich, der Wärme und/oder Kälte an den Boden überträgt. Ist wie im Stand der Technik der untere Bereich frei von Partikeln hoher Wärmeleitfähigkeit, wirkt der untere Bereich als ein Isolator, der den restlichen Bereich der Suspension thermisch vom Boden des Behältnisses isoliert. Durch die bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Suspension wird dieses Problem gelöst.
Die nicht oder kaum erniedrigte Wärmeleitfähigkeit des unteren Bereichs lässt sich vorteilhaft dadurch erreichen, dass im Zusammenspiel der Dichte des PCM und der Mengenanteile an Graphit und PCM der Graphit im PCM nicht aufschwimmt. Herkömmlich geschieht ein solches Aufschwimmen in Suspensionen aus PCM und expandiertem Graphit, denn expandierter Graphit besitzt eine geringe Dichte. Insbesondere bei Salzhydrat als PCM besteht die Gefahr des Aufschwimmens von expandiertem Graphit. Gemäß der vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Anteil an PCM an der Suspension so gering, dass sich eine Wolke an expandiertem Graphit, die in einer größeren Menge an PCM zum Aufschwimmen neigen würde, direkt über einem Boden eines Behältnisses befindet. Herkömmlicherweise liegt ein Abstand der Wolke zu dem Boden vor, so dass sich ein Bereich an PCM bildet, der frei von Graphit ist, so dass dieser Bereich herkömmlich eine hohe thermische Isolierung darstellt.
Durch die nach der Variante der Erfindung hohe Leitfähigkeit in dem unteren Bereich der Suspension wird vorteilhaft erreicht, dass die erfindungsgemäße Suspension in einem Behältnis auf zu kühlende bzw. zu wärmende Gegenstände von oben aufgebracht werden kann. Da sich im unteren Bereich der Suspension keine isolierende PCM-Schicht bildet, kann der entsprechende Gegenstand besonders gut gekühlt bzw. erwärmt werden. Beispielsweise kann das Behältnis auf ein Heizmedium führende Rohre aufgelegt werden.
Vorteilhaft kann die Suspension zusätzlich zu den Partikeln aus expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit einen zusätzlichen Graphit enthalten, wobei der zusätzliche Graphit synthetischen Graphit und/oder zusätzlichen Naturgraphit und/oder Ruß und/oder Kohlefasern bzw. eine Mischung mit mindestens einer dieser Komponenten enthält.
Insbesondere synthetischer Graphit und zusätzlicher Naturgraphit können dazu beitragen, ein Aufschwimmen von Graphitpartikeln, die expandierten Graphit enthalten, zu verhindern. Dies lässt sich so erklären, dass die Graphitpartikel, die expandierten Graphit enthalten, von dem zusätzlichen Graphit beschwert und nach unten gedrückt werden, so dass sie in der Schwebe bleiben, statt aufzusteigen.
Hier handelt es sich um einen überraschenden Effekt, der nicht zu erwarten war. Herkömmlicherweise rutschen Partikel höherer Dichte gegenüber Partikeln geringerer Dichte nach unten. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung schein ein Effekt vorzuliegen, der eine derartige Entmischung verhindert. Vermutlich bilden Partikel aus expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit eine Struktur, die mechanisch so stabil ist, dass Partikel höherer Dichte diese nicht durchdringen können. Aufgrund von Vergleichversuchen mit anderen Materialien, mit denen dieser Effekt des Aufbaus einer„selbstblockierenden" Struktur nicht eintritt, wird vermutet, dass sich hauptsächlich aufgrund der molekularen Struktur von Graphit die Partikel gegenseitig blockieren und/oder verhaken. Vorteilhaft flächig oder nadelig ausgebildete Partikel bilden eine kartenhausartige Struktur auf, die eine hohe mechanische Stabilität besitzt. Partikel aus expandiertem Graphit mit einer hohen Flächigkeit sind daher besonders geeignet. Ebenso ist eine nadelige Struktur bei Naturgraphit vorteilhaft.
Vorteilhaft sind Partikel aus expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit nicht so weit mechanisch bearbeitet, z.B. durch Mahlen, dass sie eine eher kugelförmige Gestalt besitzen. In einem solchen Fall wäre eine Ausbildung einer kartenhausartigen Struktur nicht möglich.
Der Aufbau einer selbstblockierenden Struktur ist auch mit Graphitpartikeln, wie sie oben beschrieben sind, möglich, ohne dass ein fehlendes Eindringen von PCM vorliegt. Daher soll hier auch eine Suspension als beschrieben gelten, die alle Merkmale der Beschreibung, der Ansprüche und der Figuren besitzt, bei der jedoch ein Eindringen von PCM in die Graphitpartikel vorliegt.
Insbesondere waagrecht in der Suspension vorliegende Finnen können den beschriebenen Effekt noch verstärken, dass zusätzlicher Graphit nicht durch Graphitpartikel mit expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit hindurch sinkt. Die Finnen behindern zusätzlich zu dem Effekt des Selbstblockierens ein Absinken von Partikeln, vermutlich insbesondere indem vertikale Strömungen unterbunden werden.
Je nach Dichte des verwendeten PCMs und Dichte des verwendeten expandierten Graphits bzw. nach Aufbereitung und Dichte des verwendeten Naturgraphits kann eine entsprechende Menge an synthetischem und/oder zusätzlichem Naturgraphit vorteilhaft eingesetzt werden. Entsprechendes gilt für die Korngröße. Beispielsweise kann ein Anteil von über 90 Gew.-% der Graphitkörner unter 0,4 mm liegen. Es kann aber auch ein Anteil von 65 Gew.-% zwischen 0,8 und 1 ,25 mm liegen. Die Menge und die Korngrößenverteilung kann der Fachmann in Abhängigkeit der PCM-Dichte, der Dichte des expandierten Graphits und der Korngröße des expandierten Graphits selbst optimieren ohne erfinderisch tätig werden zu müssen. Insbesondere bei Salzhydrat als PCM mit einer Dichte im Bereich von 1 ,05 bis 2,0 g/cm3 und darüber besitzt expandierter Graphit einen starken Auftrieb, der ein Aufschwimmen der Graphitpartikel zur Folge hätte. Es sei an dieser Stelle noch einmal betont, dass die Suspension Naturgraphit sowohl als Graphitpartikel besitzen kann, also auch als zusätzlichen Graphit. Soll Naturgraphit die Aufgabe erfüllen, durch Beschweren ein Aufschwimmen der Graphitpartikel zu behindern, wird er ausschließlich„zusätzlicher Graphit" genannt. Der zusätzliche Graphit muss für diese Aufgabe andere Eigenschaften hinsichtlich Korngröße und eventuell auch Partikelform und Dichte erfüllen. Sowohl der Naturgraphit der Graphitpartikel der Suspension als auch der zusätzliche Naturgraphit lässt sich wie weiter oben erläutert von verschiedenen Lagerstätten gewinnen, unterschiedlich aufbereiten und somit entsprechende Korngrößen, Restverunreinigungen, Dichten und Porositäten erhalten. Auch lassen sich verschiedene Partikelformen, wie Nadeln oder flächige Partikel, gezielt zur Erzielung der beschriebenen Effekte einsetzen.
Nach einer Variante der Erfindung kann die Suspension zusätzlich zu den Graphitpartikeln Metallpartikel enthalten, wie etwa Aluminiumpartikel, aber auch Kupfer-, Messing- und/oder Stahlpartikel. Je nach dem korrosiven Verhalten des verwendeten PCMs wird die Art der Metallpartikel entsprechend gewählt werden. Beispielsweise bietet es sich an, bei stark korrosivem PCM Stahlpartikel anstelle von Aluminiumpartikeln einzusetzen.
Somit lassen sich zum einen vorteilhaft Metallabfälle einer Wiederverwendung zuführen, zum anderen können sie auch ein Aufschwimmen von Graphitpartikeln verhindern, wie oben bereits für zusätzlichen Graphit beschrieben. Aufgrund der höheren Dichte von Metallpartikeln als von Graphitpartikeln wird die Korngröße der Metallpartikel gezielt so klein eingestellt, dass die selbstblockierende Struktur deren Gewicht noch dahingehend erträgt, dass die Graphitpartikel nach unten gedrückt werden, ohne dass die Metallpartikel an den Graphitpartikeln vorbei nach unten sinken. Sollten die Metallpartikel beispielsweise wegen einer gezielt eingestellten größeren Korngröße doch nach unten sinken und im unteren Bereich zu liegen kommen, kann dies jedoch auch vorteilhaft sein, denn eine eventuell vorliegende geringere thermische Leitfähigkeit der Suspension in diesem Bereich aufgrund eines Aufschwimmens des expandierten Graphits im PCM wird durch die Metallpartikel ausgeglichen.
Ein Aufschwimmen kann auch vorteilhaft dadurch verhindert werden, dass neben oder statt metallischen Partikeln nichtmetallische Partikel eingesetzt werden. Dies können vorteilhaft mineralische Partikel, wie etwa Calciumcarbonat, Kaolin oder Kreide, Glaspulver, Kunststoffpulver und ähnliche Partikel sein. Dabei ist das Ver- hältnis der Dichte der Partikel zur Dichte des PCM und der Graphitpartikel zu beachten, damit das Aufschwimmen verhindert werden kann.
Ein vorteilhaftes PCM kann zumindest ein PCM aus der Gruppe umfassend Paraffine, Zuckeralkohole, Gashydrate, Wasser, wässrige Salzlösungen, Salz-Wasser- Eutektika, Salzhydrate, Mischungen aus Salzhydraten, Salze und eutektische Mischungen von Salzen, Alkalimetall-Hydroxide sowie Mischungen aus Salzen und Alkalimetall-Hydroxiden oder eine Mischung aus zumindest einem PCM aus dieser Gruppe, enthalten.
Vorzugsweise kann das Mengenverhältnis aus zusätzlichem Graphit und expandiertem Graphit bzw. Naturgraphit so eingestellt sein, dass der expandierte Graphit und/oder Naturgraphit von dem zusätzlichen Graphit an einem Aufschwimmen im PCM gehindert ist, so dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des unteren Bereichs höchstens um 50 %, insbesondere höchstens um 30 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension im restlichen Bereich der Suspension, insbesondere von dieser im Wesentlichen nicht abweicht.
Eine derartige Suspension ist im Übrigen auch dann von der vorliegenden Erfindung umfasst, wenn PCM zu einem Großteil in den expandierten Graphit eingedrungen ist. Dabei sollen alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen, den Ansprüchen und den Figuren genannten optionalen Merkmale für eine Suspension nach Anspruch 1 auch zusammen mit einer derartigen Suspension mit eingedrungenem PCM als offenbart gelten.
Auch können vorteilhaft eingesetzte Metallpartikel in den unteren Bereich des PCMs absinken, so dass eine eventuell vorliegende geringere thermische Leitfähigkeit der Suspension in diesem Bereich aufgrund eines Aufschwimmens des expandierten Graphits im PCM durch die Metallpartikel ausgeglichen wird.
Nach einer Variante der Erfindung ist ein Behältnis mit einer erfindungsgemäßen Suspension gefüllt. Ein derartiges Behältnis lässt sich gut handhaben und beispielsweise zur Klimatisierung, wie etwa von Gebäuden, einsetzen. Vorzugsweise besitzt das Behältnis eine thermisch gut leitfähige Außenwandung, beispielsweise eine Me- tallfolie, die mit einer Kunststofffolie mechanisch verstärkt sein kann. Vorteilhaft weist das Behältnis eine flexible, anpassungsfähige Außenhülle auf. Ein solches Behältnis lässt sich besonders gut zum Auflegen auf unregelmäßig geformte, zu kühlende Gegenstände, wie etwa ein Heiz- oder Kühlrohr einer Klimadecke auflegen. Die Anwendung von PCM-gefüllten Behältnissen mit einer flexiblen, anpassungsfähigen Außenhülle ist ausführlich in der EP 1 371 915 B1 beschrieben und alle Merkmale, die dieses Behältnis mit PCM betreffen sind hiermit durch Rückbezug auf die EP 1 371 915 B1 aufgenommen. Mit einer erfindungsgemäßen Suspension gefüllt können derartige Behältnisse deutlich schneller Wärme und/oder Kälte aufnehmen und/oder abgeben als im Stand der Technik.
Bei derartigen Behältnissen mit einer flexiblen Außenhülle kommt ein weiterer Vorteil von Finnen, die komprimierten expandierten Graphit enthalten, zur Geltung. Im Gegensatz zu Metallfinnen besteht bei Graphitfinnen nicht die Gefahr, dass diese durch scharfe Kanten die Außenhülle beschädigen. Vorteilhaft können sich die Finnen sogar teilweise im mechanischen Kontakt mit der Außenhülle an diese anschmiegen, so dass eine besonders gute Wärmeeinkopplung von Finnen in die Außenhülle und somit auch in einen zu temperierenden Gegenstand möglich ist.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass die Außenhülle steif ausgebildet ist. Insbesondere zum Auflegen auf gerade Flächen oder für selbsttragende Module ist ein steifes Behältnis von Vorteil. Es kann beispielsweise als flacher Behälter ausgebildet sein.
Bevorzugt sind die Graphitpartikel in der gesamten Suspension gleichmäßig verteilt, was zu einer homogenen Wärmeleitung der Suspension und somit auch zu einer guten Übertragung der Wärme und/oder Kälte zum Boden des Behältnisses führt. Die Erfindung schließt jedoch auch ein, dass der untere Bereich der Suspension gegenüber dem restlichen Bereich der Suspension etwas an Graphitpartikeln verarmt ist. Bevorzugt befinden sich in einem unteren Bereich der Suspension so viele Graphitpartikel und/oder zusätzlicher Graphit und/oder Metallpartikel, dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des der Unterseite des Behältnisses zugewandten Bereichs um höchstens 50 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension im restlichen Bereich der Suspension, insbesondere um höchstens 30 % geringer, ins- besondere weist sie im Wesentlichen nicht von der Gesamtwärmeleitfähigkeit im restlichen Bereich ab.
Bevorzugt kann eine Klimavorrichtung eine erfindungsgemäße Suspension insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Behältnis enthalten. Eine derartige Klimavorrichtung kann als Element eines Klimageräts eingesetzt werden, das Wärme und/oder Kälte speichert und wieder abgibt.
Vorzugsweise kann der Behälter mit zumindest einem wärmeleitenden Blech in Kontakt sein. Der Begriff Blech wird hier für jedes flächige wärmeleitende Element verwendet, kann also auch aus Graphit bestehen oder dieses enthalten.
Das zumindest eine Blech kann aus einem geschlossenflächigen Blech, einem Lochblech, einem Gitter, einem Netz oder aus Fixierstäben gebildet sein.
Vorteilhaft wird der Behälter zwischen zwei Blechen gehalten, wobei diese beispielsweise parallel zueinander oder v-förmig zueinander angeordnet sind. Insbesondere ein Behältnis mit flexibler Außenhülle ist in diesem Fall von Vorteil, denn ein solches beutelartiges Behältnis schmiegt sich sehr gut an die Bleche an, so dass eine Wärmeübertragung von der Suspension ohne störende Luftpolster direkt auf das Blech erfolgen kann.
Gelöst wird die Aufgabe des Weiteren mit einem Verfahren nach Anspruch 25. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Suspension aus PCM und Graphitpartikeln dadurch herzustellen, dass die Graphitpartikel, die expandierten Graphit und/oder Naturgraphit enthalten, mit dem PCM in flüssiger Form vermischt werden, ohne dass PCM in den expandierten Graphit und in den Naturgraphit eindringt.
Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass die Graphitpartikel als lose Schüttung in ein Behältnis gegeben werden und das Behältnis mit dem PCM aufgefüllt wird. Dadurch wird erreicht, dass ohne ein Erzeugen von Druck, mechanischen Spannungen oder starken Strömungen ein Vermischen stattfindet, wobei ein Eindringen von PCM in den expandierten Graphit und Naturgraphit vermieden wird. Es kann vorteilhaft sein, zunächst die Anteile an expandiertem Graphit und Naturgraphit zu vermischen, insbesondere trocken, und anschließend wie eben beschrieben zu verfahren. Bei Vorliegen von zusätzlichem Graphit kann es vorteilhaft sein, die Anteile an expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit mit dem zusätzlichen Graphit zu vermischen und anschließend das Mischen mit dem PCM durchzuführen.
Es kann auch vorteilhaft sein, zunächst expandierten Graphit und/oder Naturgraphit mit PCM zu mischen und anschließend den zusätzlichen Graphit zuzugeben. Da der zusätzliche Graphit zum Beschweren der möglicherweise aufschwimmenden Graphitpartikel dient, kann es vorteilhaft sein, dass der zusätzliche Graphit möglichst weit oben zu liegen kommt. Selbst wenn der zusätzliche Graphit wegen größerer Dichte und/oder größerer Partikelgröße durch den expandierten Graphit und/oder Naturgraphit hindurch nach unten rutschen sollte, wird durch die„Startposition" des zusätzlichen Graphits oberhalb des expandierten Graphits und/oder Naturgraphits erreicht, dass ein Aufschwimmen der Graphitpartikel behindert wird.
Die erfindungsgemäße Suspension lässt sich durch Absenken der Temperatur unter den Schmelzpunkt des PCM verfestigen. In diesem Zustand kann sie zerkleinert werden und die entstandenen Körner transportiert und zu dem jeweiligen Verwendungszweck beispielsweise in einen Behälter geschüttet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung zur Erläuterung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels und anhand einiger Figuren detaillierter beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist nicht beschränkend zu sehen.
Im einzelnen zeigen
Fig. 1 a: eine Draufsicht eines Messaufbaus zur Bestimmung der Wärmespeicher- und Wärmeleiteigenschaften von Suspensionen,
Fig. 1 b: eine geschnittene Seitenansicht des Messaufbaus von Fig. 2a,
Fig.2: Temperaturverläufe von erfindungsgemäßen Suspensionen bei einem
Aufheizvorgang im Vergleich zu herkömmlichen PCM-Materialien,
Fig. 3: Temperaturverläufe von erfindungsgemäßen Suspensionen bei einem
Abkühlvorgang im Vergleich zu herkömmlichen PCM-Materialien, Fig. 4a: eine Finne zum Einbringen in die erfindungsgemäße Suspension, Fig. 4b: eine Struktur aus ineinandergesteckten Finnen,
Fig. 5a: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Behältnisses mit teilweise aufgeschnittener Hauptfläche,
Fig. 5b: das Behältnis von Fig. 5a in einem Längsschnitt und
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht einer Klimavorrichtung mit einem
erfindungsgemäßen Behältnis.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel werden 477 g Graphitpulver (Spezifikation: Korngrößenverteilung d50: 1000 - 1400μηι, Schüttgewicht nach DIN 51705: 160 - 210g/l) und 1691 g Paraffin mit einem Schmelzpunkt von 21 °C (Spezifikation: Wärmekapazität 134 kJ/kg, Dichte fest 0,88 kg/l, Dichte flüssig 0,77kg/l, Wärmeleitfähigkeit 0,2 W/(m*K) mit einem Handrührer durchmischt. Ohne weiteres Rühren wird die sich ergebende Suspension 1 in flache Beutel 2 als Behältnisse 2 mit einer flexiblen, anpassungsfähige Außenhülle 3 eingefüllt, die Abmessungen von in diesem Beispiel 2,5 cm Dicke, 30 cm Breite, 30 cm Länge besitzen. Der Beutel 2 besitzt als Außenhülle 3 eine mit Metall beschichtete Kunststofffolie oder eine kunststoffbeschichtete Metallfolie.
Wird der Beutel 2 auf einer seiner zwei Hauptflächen 4, 5 liegend befüllt, besteht die Möglichkeit, von oben einige Finnen 6 aus Graphitfolie einzusetzen. Die zweite Hauptfläche 5 des Beutels 2 kann anschließend von oben beispielsweise durch herkömmliches Folienschweißen mit dem restlichen Beutel 2 verbunden und der Beutel 2 somit verschlossen werden. Der Beutel 2 ist mit dem PCM im flüssigen Zustand transportierbar, kann aber auch auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts von Paraffin abgekühlt werden, um die Suspension 1 in den festen Aggregatzustand zu versetzen.
Der Beutel 2 wird in eine Messapparatur 7 eingesetzt, wie sie in Fig. 1 a und 1 b zu sehen ist. Eine erste Wandung 8 hoher thermischer Leitfähigkeit und eine zweite Wandung 9 geringer thermischer Leitfähigkeit (hier Plexiglas) begrenzen zusammen mit seitlichen Elementen 9a geringer thermischer Leitfähigkeit (hier Plexiglas) einen Messraum 10, in den der Beutel 2 eingebracht werden kann. Oberhalb des Schmelzpunkts des PCM, in diesem Fall bei 21 °C schmiegt sich der Beutel 2 aufgrund der flexiblen, anpassungsfähigen Außenhülle 3 an beide Wandungen 8, 9 und die seitlichen Elemente 9a an. Eine Wärmequelle 1 1 , die auch als Kältequelle bezeichnet werden könnte, ist mit der ersten Wandung 8 thermisch verbunden. Als Wärme- /Kältequelle wird hier ein herkömmlicher Thermostat 1 1 verwendet, der der über Schläuche 12, 13 mit der ersten Wandung 8 verbunden ist. Am Beutel 2 sind erste Temperaturfühler 14 angeordnet, die die Temperatur des Beutels 2 auf seiner der ersten Wandung 8 zugewandten Seite und zweite Temperaturfühler 15, die die Temperatur des Beutels 2 auf seiner der zweiten Wandung 9 zugewandten Seite messen. Eine Isolierwandung 16 aus beispielsweise Kunststoffschaum, die benachbart zur zweiten Wandung 9 angeordnet ist, trägt zusätzlich dazu bei, dass die Messung nicht durch Wärmeverluste verfälscht wird. Die beiden Wandungen 8, 9 mit dem Messraum 10 sind in einem Isolierbehälter 17 mit thermisch stark isolierenden Wänden eingebracht, wie sie beispielsweise herkömmlich in der Isolationstechnik Einsatz finden.
Zu einer ersten Messung des Temperierverhaltens wird der mit der erfindungsgemäßen Suspension 1 gefüllte Beutel 2 von 10 °C auf 40 °C aufgeheizt und die Entwicklung der Temperatur über die Zeit gemessen.
Messkurve A in Fig. 2 zeigt den Verlauf der Temperatur des Thermostaten selbst. Messkurve B zeigt den Verlauf der Temperatur an den Messfühlern 14 zwischen der ersten Wandung 8 und dem Beutel 2, Messkurve C den Verlauf der Temperatur an den Messfühlern 15 zwischen der zweiten Wandung 9 und dem Beutel 2, wobei der Beutel 2 zunächst zu Vergleichszwecken mit reinem Paraffin als PCM ohne Graphitpartikel gefüllt ist. Man sieht, dass beide Kurven B, C zeitlich stark hinter der Thermostatkurve A zurückliegen. Dies zeigt die Trägheit herkömmlicher PCM-Temperier- systeme. Insbesondere fällt der Temperaturbereich zwischen 20 und 35 °C auf, in dem durch die Phasenumwandlung beim Aufschmelzen latente Wärme im PCM gespeichert wird, die sogenannte latente Phase. Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des reinen PCM dauert diese Speicherung nahezu zwei Stunden. Es fällt auf, dass Kurve C noch stärker hinter Kurve B hinterherhinkt. Dies zeigt noch stärker die geringe thermische Leitfähigkeit des reinen PCM.
Messkurve D zeigt den Verlauf der Temperatur an den Messfühlern 14 zwischen der ersten Wandung 8 und dem Beutel 2, Messkurve E den Verlauf der Temperatur an den Messfühlern 15 zwischen der zweiten Wandung 9 und dem Beutel 2, wobei der Beutel 2 nun mit der erfindungsgemäßen Suspension 1 , deren Herstellung oben beschrieben ist, gefüllt ist. Beide Kurven besitzen einen deutlich geringeren zeitlichen Abstand von der Thermostatkurve A. Insbesondere ist die Phase der Speicherung latenter Wärme viel kürzer ausgebildet. Aufgrund der sehr guten thermischen Leitfähigkeit der Suspension 1 wird Wärme sehr schnell über das gesamte PCM des Beutels 2 verteilt und darin in Form latenter Wärme gespeichert. Der geringe zeitliche Abstand zwischen Kurve D und E zeigt dies ebenfalls. Die Temperatur der Suspension erhöht sich daraufhin weiter entsprechend der vom Thermostat vorgegebenen Temperatur.
Fig. 3 zeigt einen Abkühlvorgang derselben zwei Beutel 2 wie für den Aufheizvorgang, der in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Kurven sind entsprechend mit A bis E gekennzeichnet. Wiederum ist die sehr geringe Trägheit der Suspension 1 gemäß der Erfindung im Vergleich zu reinem PCM zu erkennen. Die Verfestigung des reinen PCM dauert deutlich länger als bei der Suspension.
Die Figuren 2 und 3 machen insgesamt deutlich, wie schnell ein erfindungsgemäßer Beutel 2 thermisch geladen und entladen werden kann.
Nach der Messung wurde der Beutel 2 aufgeschnitten und bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes die Suspension in ein Sieb der Maschenweite 0, 1 mm gegossen.
Aufgrund des fehlenden Vorliegens von PCM in den Graphitpartikeln wurden nahezu die gleichen Ausgangsgewichtsmengen an PCM und Graphitpartikeln erhalten, wie ursprünglich zur Herstellung der Suspension 1 eingewogen wurden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurden in die Suspension wie in Fig. 5a und Fig. 5b gezeigt in den Beutel 2 Finnen 6 aus Graphitfolie eingesetzt. Wegen der hohen Viskosität der Suspension 1 behalten diese ohne mechanische Befestigung ihre Lage bei.
Der Beutel 2 wird in Klimageräten eingesetzt. Dabei liegen in einer in Fig. 6 schematisch dargestellten Klimavorrichtung 18 Wandungen 19 vor, die der ersten und zweiten Wandung 8, 9 des Versuchsaufbaus 7 entsprechen, von denen jedoch beide aus gut wärmeleitenden Materialien bestehen, in diesem Fall aus Lochblechen aus herkömmlichem Stahl. Die von der Suspension 1 gespeicherte Wärme bzw. Kälte wird an die Lochbleche 19 geleitet und von dort aus mittels Ventilatoren (nicht gezeigt) an eine zu klimatisierende Raumluft abgegeben.
Bei Einsatz des Beutels 2 mit einer erfindungsgemäßen Suspension für Klimavorrichtungen 18 macht sich dies durch sehr schnelles Speichern und Bereitstellen von Wärme bzw. Kälte bemerkbar. Dies zeigt die praktische Nutzbarkeit der Erfindung.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle von Paraffin Salzhydrat als PCM verwendet, wobei der Hauptbestandteil des Salzhydrats Calciumchloridhexahydrat ist.
Da in dem Salzhydrat (Spezifikation: Wärmekapazität 134kJ/kg, Dichte fest 1 ,6 kg/l, Dichte flüssig 1 ,5kg/l, Wärmeleitfähigkeit fest 1 ,2 W/mK, Wärmeleitfähigkeit flüssig 0,6 W/mK) mit einer hohen Dichte von in diesem Fall 1 ,6 g/cm3 Graphitpartikel stark zum Aufschwimmen neigen, werden die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten gemahlenen Graphitfolien mit Partikelgrößen von d50: 1000 - 1400pm (Schüttgewicht nach DIN 51705: 160 - 21 Og/I) und das Graphitexpandat mit einer Dichte von 1 ,0 g/cm3 mit synthetischem Graphit gemischt, in einen Rührbehälter gegeben und bei 30 °C, also oberhalb des Schmelzpunktes von Salzhydrat mit flüssigem Salzhydrat übergössen. Der synthetischer Graphit besitzt folgende Spezifikation: Rohdichte 1 ,67 - 1 ,91 g/cm3, Schüttdichte nach DIN 51705: < 1 g/cm3, Körngrößenverteilung in % nach DIN 51938: 5 % 4 rj - 0,4mm; 90% 4 0,4 - 0,8mm; 5 % 4 > 0,8mm. Die sich ergebende Suspension 1 wird wie oben im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben in flache Beutel 2 gefüllt.
Mit dieser Suspension 1 wird ein Beutel 2 gefüllt und verschweißt. Er wird waagrecht liegend auf Leitungen in einer Klimadecke, durch die ein Wärmemedium geleitet wird, aufgelegt.
Dadurch, dass der synthetische Graphit den expandierten Graphit in der Suspension 1 in einen unteren Bereich des Beutels 2 drückt, bildet sich kein isolierender reiner PCM-Bereich in der Nähe des Bodens des Beutels 2 aus, und Wärme und Kälte werden mit hoher Geschwindigkeit in dem Beutel 2 gespeichert und wieder abgegeben. Die erfindungsgemäße Suspension 1 lässt sich vorteilhaft überall dort einsetzen, wo Wärme und /oder Kälte gespeichert und wieder abgegeben werden soll. Vorteilhaft lässt sie sich in einem Behälter verwenden, wie etwa einem Tank, zur Speicherung von Wärme, die in einem Kraftwerk erzeugt wird, wie Solarwärme, Wärme von Brauchwasser, Prozesswärme, Wärme von Brennheizkraftwerken, Nachtkälte, für Eisspeicher, im Lebensmittelbereich, wie etwa zum Kühlen und/oder Wärmen von Speisen, sowie bei der Lagerung und dem Transport von Lebensmitteln, wie etwa in Lagerhäusern oder Kühltheken oder im Einbau von Kühl-Lastzügen oder Kühlcontainern.
Vorzugsweise kann die Suspension für Verlorene-Wachskern-Verfahren im Formenbau eingesetzt werden. Dabei lässt sich das Wachs mit den Graphitpartikeln schneller schmelzen und in die Form gießen. Nach dem Formen und Aushärten des Bauteils um den Wachskern herum lässt sich der Kern schneller aus dem Bauteil aus- schmelzen.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Suspension, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Beutel mit flexibler Außenhülle, im medizinischen Bereich, wie etwa als Kühlbeutel zur Behandlung von Wunden oder zum Kühlen von Transplantaten, anwendbar.
Eine weitere bevorzugte Verwendung einer erfindungsgemäßen Suspension liegt in der Fahrzeugklimatisierung, insbesondere der Klimatisierung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, der Kühlung von elektrochemischen Speichersystemen, wie stationären Batterien und Batterien, etwa in Elektrofahrzeugen. Nicht nur im Normalbetrieb wird die Suspension vorteilhaft eingesetzt, sondern auch im Schadensfall einer Batterie (z.B. bei Beschädigung durch Eindringen von Metallteilen oder Verformen durch Unfall). Dann kann die erfindungsgemäße Suspension die freiwerdende thermische Energie aufnehmen und eine Kettenreaktion der Batterie verhindern oder diese zumindest abbremsen.
Die erfindungsgemäße Suspension kann darüber hinaus beispielsweise als Wärmespeicher zur Motorvorheizung in der Fahrzeugtechnik eingesetzt werden, um den Schadstoffausstoß beim Kaltstart zu verringern.

Claims

Patentansprüche
1 . Suspension (1 ) enthaltend Phasenwechselmaterial (PCM) und Graphitpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitpartikel expandierten Graphit und/oder Naturgraphit enthalten, wobei innerhalb des expandierten Graphits und innerhalb des Naturgraphits im Wesentlichen kein PCM vorliegt.
2. Suspension (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Gesamtmenge an expandiertem Graphit und Naturgraphit die Menge an expandiertem Graphit zwischen 0 und 100 Gew.-% und die Menge an Naturgraphit zwischen 0 und 100 % liegt.
3. Suspension (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit und der Naturgraphit eine mittlere Porengröße und eine Poren- größenverteilung besitzen, die derart ausgebildet sind, dass das PCM bei Normaldruck im Wesentlichen nicht in den expandierten Graphit und den Naturgraphit eindringt.
4. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit Graphitexpandat und/oder durch Zerkleinern von verdichtetem Graphitexpandat erhaltene Pulver bzw. Häcksel und/oder durch Zerkleinern von Graphitexpandat gewonnenes Pulver enthält.
5. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttdichte des expandierten Graphits (ohne PCM) im Fall von Graphitexpandat zwischen 0,002 und 0,015 g/cm3, im Fall von Häcksel, Schnitzel, Streifen bzw. Granulat zwischen 0,01 g/cm3 und 2,0 g/cm3, im Fall von Pulver bzw. Mahlgut zwischen 0, 10 g/cm3 und 1 ,0 g/cm3 liegt.
6. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspension zumindest eine Finne (6) eingebracht ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene, insbesondere von mehr 25 W/mK, insbesondere mehr als 100 W/mK aufweist.
7. Suspension (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Finne (6) komprimierten expandierten Graphit umfasst.
8. Suspension (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Finne (6) Graphitfolie enthält, insbesondere aus Graphitfolie aufgebaut ist.
9. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Finnen (6) miteinander, insbesondere durch Ineinanderstecken, verbunden ist und eine 2- und/oder 3-dimensionale Struktur bildet.
10. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Finne (6) durch die Suspension (1 ) in ihrer Lage fixiert ist.
1 1 . Suspension (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Finne (6) waagrecht, senkrecht oder in einem beliebigen Winkel durch die Suspension (1 ) in ihrer Lage fixiert ist.
12. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem unteren Bereich der Suspension Graphitpartikel und/oder zusätzlicher Graphit befinden, so dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des unteren Bereichs höchstens um 50 %, insbesondere höchstens um 30 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension (1 ) im restlichen Bereich der Suspension (1 ).
13. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension (1 ) einen zusätzlichen Graphit enthält, wobei der zusätzliche Graphit synthetischen Graphit und/oder zusätzlichen Naturgraphit und/oder Ruß und/oder Kohlefasern bzw. eine Mischung aus mindestens einem dieser Komponenten enthält.
14. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension (1 ) Metallpartikel enthält, wie etwa Aluminiumpartikel, Kupfer-, Messing- und/oder Stahlpartikel.
15. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM zumindest ein PCM aus der Gruppe umfassend Paraffine, Zuckeralkohole, Gashydrate, Wasser, wässrige Salzlösungen, Salz- Wasser-Eutektika, Salzhydrate, Mischungen aus Salzhydraten, Salze und elektische Mischungen von Salzen, Alkalimetall-Hydroxide sowie Mischungen aus Salzen und Alkalimetall-Hydroxiden oder eine Mischung aus zumindest einem PCM aus dieser Gruppe enthält.
16. Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis aus zusätzlichem Graphit und expandiertem Graphit und/oder Naturgraphit so eingestellt ist, dass der expandierte Graphit und/oder der Naturgraphit von dem zusätzlichen Graphit an einem Aufschwimmen im PCM gehindert ist, so dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des unteren Bereichs höchstens um 50 %, insbesondere höchstens um 30 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension (1 ) im restlichen Bereich der Suspension (1 ), insbesondere von dieser im Wesentlichen nicht abweicht.
17. Behältnis (2) gefüllt mit einer Suspension (1 ) enthaltend Graphit und PCM, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine flexible, anpassungsfähige Außenhülle (3) aufweist.
18. Behältnis (2) gefüllt mit einer Suspension (1 ) enthaltend Graphit und PCM, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine steife Außenhülle (3) aufweist.
19. Behältnis (2) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem einer Unterseite des Behältnisses (2) zugewandten Bereich der Suspension (1 ) Graphitpartikel und/oder Metallpartikel befinden, so dass die Gesamtwärmeleitfähigkeit des der Unterseite des Behältnisses (2) zugewandten Bereichs höchstens um 50 % geringer ist als die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Suspension (1 ) im restlichen Bereich der Suspension (1 ).
20. Behältnis (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (3) eine Metallschicht enthält.
21 . Klimavorrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 und/oder ein Behältnis (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20 enthält.
22. Klimavorrichtung (18) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (2) mit zumindest einem wärmeleitenden Blech (19) in thermischem Kontakt ist.
23. Klimavorrichtung (18) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Blech (19) aus einem geschlossenflächigen Blech, einem Lochblech, einem Gitter, einem Netz oder durch Fixierstäbe gebildet ist.
24. Klimavorrichtung (18) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (2) zwischen zwei Blechen (19) gehalten wird, wobei diese parallel zueinander oder v-förmig zueinander angeordnet sind.
25. Verfahren zur Herstellung einer Suspension (1 ) aus PCM und Graphitpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitpartikel expandierten Graphit und/oder Naturgraphit enthalten und die Graphitpartikel mit dem PCM in flüssiger Form vermischt werden, ohne dass PCM in den expandierten Graphit und/oder den Naturgraphit eindringt.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitpartikel mit dem PCM dadurch vermischt werden, dass die Graphitpartikel als lose Schüttung in ein Behältnis gegeben werden und das Behältnis mit dem PCM aufgefüllt wird.
27. Verfahren zur Ausstattung einer zu klimatisierenden Decke, insbesondere zu einer nachträglichen Ausstattung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Be- hältnis (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, insbesondere gefüllt mit einer Suspension (1 ) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 in die Decke eingebracht wird.
28. Verwendung einer Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 in einem Behälter, wie etwa einem Tank, zur Speicherung von Wärme, die in einem Kraftwerk erzeugt wird, wie Solarwärme, Wärme von Brauchwasser, Prozesswärme, Wärme von Brennheizkraftwerken, Nachtkälte, für Eisspeicher, im Lebensmittelbereich, wie etwa zum Kühlen und/oder Wärmen von Speisen.
29. Verwendung einer Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 für Verlorene-Kern-Verfahren.
30. Verwendung einer Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, insbesondere in einem Behältnis (2) mit einer flexiblen Außenhülle (3) nach einem oder mehreren der Ansprüche 17, 19 und 20, im medizinischen Bereich, wie etwa als Kühlbeutel zur Behandlung von Wunden oder zum Kühlen von Transplantaten.
31 . Verwendung einer Suspension (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 zur Fahrzeugklimatisierung, zur Kühlung von elektrochemischen Speichersystemen, wie Batterien, oder zur Klimatisierung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2999060A1 (fr) * 2012-12-12 2014-06-13 Thales Sa Housse de transport avec absorption d'energie par chaleur latente et son procede de fabrication
CN103911124A (zh) * 2013-12-26 2014-07-09 深圳市爱能森科技有限公司 水玻璃复合三元硝酸熔盐传热蓄热介质及其制备方法与应用
CN103911119A (zh) * 2013-02-01 2014-07-09 深圳市爱能森科技有限公司 石英砂复合三元硝酸熔盐传热蓄热介质及其制备方法
CN110345542A (zh) * 2019-07-03 2019-10-18 西安交通大学 一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法
US10910991B2 (en) * 2017-11-20 2021-02-02 Masoud Valinejadshoubi Multifunctional solar system for generating electricity, useful heat, and ventilation in buildings
CN118686105A (zh) * 2024-06-13 2024-09-24 中国长江三峡集团有限公司 防冻漂浮装置和相变溶液的制备方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012208576A1 (de) * 2012-05-22 2013-11-28 Sgl Carbon Se Mischung enthaltend Phasenwechselmaterial und Graphitpartikel und Behältnis enthaltend eine solche Mischung
PT2952551T (pt) 2013-02-01 2021-02-08 Qinghai Enesoon New Mat Limited Meio de transferência de calor e de armazenamento de calor de compósito de areia de quartzo e sal fundido
GB201522732D0 (en) * 2015-12-23 2016-02-03 Castrol Ltd Apparatus
CN108507083B (zh) * 2018-03-05 2020-04-03 浙江理工大学 蓄冰式热源塔热泵系统装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3404061A (en) 1962-03-21 1968-10-01 Union Carbide Corp Flexible graphite material of expanded particles compressed together
US4572864A (en) * 1985-01-04 1986-02-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Composite materials for thermal energy storage
EP1416027A1 (de) * 2002-10-28 2004-05-06 Sgl Carbon Ag Mischungen für Wärmespeicher
EP1598406A1 (de) 2004-05-18 2005-11-23 Sgl Carbon Ag Latentwärmespeichermaterial
EP1371915B1 (de) 2002-06-10 2006-07-12 Karl-Georg Homm Klimadecke mit PCM

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4830092A (en) * 1986-10-27 1989-05-16 Rockwell International Corporation Heat enhancers and salt purifiers for thermal energy storage canister
DE10157671A1 (de) * 2001-11-24 2003-06-05 Merck Patent Gmbh Optimierter Einsatz von PCM in Kühlvorrichtungen
US8171984B2 (en) * 2006-02-01 2012-05-08 Sgl Carbon Ag Latent heat storage devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3404061A (en) 1962-03-21 1968-10-01 Union Carbide Corp Flexible graphite material of expanded particles compressed together
US4572864A (en) * 1985-01-04 1986-02-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Composite materials for thermal energy storage
EP1371915B1 (de) 2002-06-10 2006-07-12 Karl-Georg Homm Klimadecke mit PCM
EP1416027A1 (de) * 2002-10-28 2004-05-06 Sgl Carbon Ag Mischungen für Wärmespeicher
DE10250249A1 (de) 2002-10-28 2004-05-13 Sgl Carbon Ag Mischungen für Wärmespeicher
EP1598406A1 (de) 2004-05-18 2005-11-23 Sgl Carbon Ag Latentwärmespeichermaterial

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NICOLAS CALVET ET AL: "Latent heat storage enhancement by thermal conductivity intensification.", EFFSTOCK 2009, 1 January 2009 (2009-01-01), pages 1 - 6, XP055017931 *
PINCEMIN ET AL: "Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 92, no. 6, 4 March 2008 (2008-03-04), pages 603 - 613, XP022540623, ISSN: 0927-0248, DOI: 10.1016/J.SOLMAT.2007.11.010 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2999060A1 (fr) * 2012-12-12 2014-06-13 Thales Sa Housse de transport avec absorption d'energie par chaleur latente et son procede de fabrication
CN103911119A (zh) * 2013-02-01 2014-07-09 深圳市爱能森科技有限公司 石英砂复合三元硝酸熔盐传热蓄热介质及其制备方法
CN103911124A (zh) * 2013-12-26 2014-07-09 深圳市爱能森科技有限公司 水玻璃复合三元硝酸熔盐传热蓄热介质及其制备方法与应用
CN103911124B (zh) * 2013-12-26 2016-11-23 深圳市爱能森科技有限公司 水玻璃复合三元硝酸熔盐传热蓄热介质及其制备方法与应用
US10910991B2 (en) * 2017-11-20 2021-02-02 Masoud Valinejadshoubi Multifunctional solar system for generating electricity, useful heat, and ventilation in buildings
CN110345542A (zh) * 2019-07-03 2019-10-18 西安交通大学 一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法
CN118686105A (zh) * 2024-06-13 2024-09-24 中国长江三峡集团有限公司 防冻漂浮装置和相变溶液的制备方法

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Publication number Publication date
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